软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法，属于隧道支护结构技术领域，拱架的上下翼缘内部涂有绝缘层；制冷装置由N型半导体、P型半导体和金属垫片构成，将金属垫片错落粘贴在拱架上，并在金属垫片交叉位置上交替焊接N型半导体和P型半导体联结成电偶对；散热装置由连通管、散热器、通风管和抽风管组成，隧道开挖后安装带有制冷装置的拱架，将散热器布设于拱架内侧，相邻拱架用连通管连接；通风管插入拱架上引至隧道洞口，抽风管套入通风管，直流电源与制冷装置相连；本发明专利技术在不单独施做制冷系统，不影响拱架作用的情况下，不但可以在隧道软弱段周边围岩上形成冻土壳，隔水和控制隧道变形，增加隧道通风改善施工环境。
Support structure and construction method of tunnel in soft surrounding rock
【技术实现步骤摘要】
软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法
本专利技术属于隧道工程支护结构
，具体涉及软弱围岩隧道冻结初期支护结构技术，特别适用于穿越软弱围岩的公路和铁路隧道。
技术介绍
近年来高速公路、铁路等大型交通基础设施在西部山区开工建设，地形和地质情况极端复杂的隧道工程项目数量不断增多。软弱围岩是极端复杂地质条件中最为常见的工程地质条件之一，在西部山区隧道建设中穿越软弱围岩的隧道工程日趋增多。然而软弱围岩隧道的修筑一直以来是世界性的难题。大量的工程实践表明，在软弱围岩区建设隧道时，极易出现渗水、大变形、整体位移等问题，严重时出现侵占隧道净空、大面积塌方等情况，时刻威胁隧道施工人员的安全，同时大面积换拱和处理塌方成倍的增加了隧道的工程造价，延误工期，更甚者引发线路改道和隧址废弃等更为严重的问题。为了防止在软弱围岩区段施工隧道时的大变形、塌方、整体位移和渗水等工程问题，在隧道建设过程中主要从减轻施工扰动、增加衬砌强度和提高周边围岩承载能力等三个方面来保障隧道施工的安全。然而，减轻施工扰动和增加衬砌强度无法解决隧道渗水，围岩承载力低不宜形成承载拱的根源问题，注浆法和冻结法是提高围岩承载能力，解决隧道渗水较为有效的方法，但采用注浆法时有异物进入土壤，噪音大，对环境污染严重已逐渐不能满足未来工程建设发展的趋势，传统的冻结法施工是是在富水土层内打入钢管，利用液氮的循环使土层冻结，形成坚硬的冻土壳，在隧道施工前需要单独安装调试冻结系统，需要开挖的周边土体完全冻结后隧道施工仍然需要按照传统的隧道施工步骤进行施工，并且隧道施工完成后冻结系统构件拆卸困难，其施工周期长，造价高昂，通常仅应用地铁，煤矿和城市地下管线的施工。因此，我们迫切需要一种施工工序简单，在不污染环境情况下能提高隧道周边围岩承载能力的软弱围岩隧道支护结构，来改善软弱围岩特性，控制软弱围岩隧道大变形、整体位移的来解决上述问题。
技术实现思路
针对上述软弱围岩隧道施工方法的不足，基于保护环境，改善软弱围岩特性，降低工程造价，节约资源的原则，提供一种软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法，解决传统软弱围岩隧道施工方法工序复杂，造价高昂，对周边环境污染严重以及无法改善软弱围岩特性，有效控制隧道大变形、整体位移等缺点，从而减少软弱围岩区隧道施工时材料和人力资源的浪费，降低工程造价，提高隧道施工的安全。本专利技术是软弱围岩隧道冻结初期支护结构及施工方法，软弱围岩隧道冻结初期支护结构，包括拱架、制冷装置、散热装置和直流电源；拱架是由上翼缘和下翼缘内部涂有绝缘层的弧形工字钢通过法兰连接形成的闭合环；制冷装置由N型半导体、P型半导体和金属垫片组成，从拱架下翼缘开始沿环向将金属垫片通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层的上翼缘和下翼缘上，直至最后粘贴在下翼缘处在金属垫片和第一次粘贴在下翼缘的金属垫片最接近时停止，按照金属垫片安装的顺序，在下翼缘和上翼缘金属垫片交叉位置交替焊接N型半导体和P型半导体形成串联的电偶对；散热装置由连通管、散热器、通风管和抽风管组成，连通管是两端带有内螺纹，外部涂有隔热层的圆形钢管，散热器是由矩形槽和散热片组成，矩形槽外部涂有隔热层，两端分别带有与连通管相匹配的外螺纹，散热片平行于矩形槽长边均匀布设于矩形槽内，将散热器沿拱架环向均匀布设，槽口焊接于下翼缘外侧，用连通管将相邻拱架的散热器相连接，通风管是由标准节拼接而成，标准节为直径与连通管相同的圆形钢管，两端分别带有内螺纹和外螺纹，通风管插入距隧道洞口最近的散热器并引至隧道洞口，抽风管为L形钢管，短边带有内螺纹，长边焊接有雨帽，抽风管短边套入通风管；直流电源为隧道洞口仰坡上的太阳能光伏板，利用开关和导线将拱架下翼缘的第一个N型半导体金属垫片和下翼缘最后一个P型半导体金属垫片分别连接在直流电源的正、负极上，形成闭合通路。本专利技术的软弱围岩隧道初期支护结构的施工方法，其步骤为：（1）预制拱架：根据选择的隧道开挖工法在加工厂预制环形工字钢和连接法兰，并连接形成拱架；（2）制冷装置制作和安装：根据隧道围岩情况和拱架的尺寸预制金属垫片、N型半导体和P型半导体，从拱架下翼缘开始沿环向将金属垫片通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层的上翼缘和下翼缘上，直至最后粘贴在下翼缘处在金属垫片和第一次粘贴在下翼缘的金属垫片最接近时停止，按照金属垫片安装的顺序，在下翼缘和上翼缘金属垫片交叉位置交替焊接N型半导体和P型半导体形成串联的电偶对；（3）散热装置制作和安装：根据软弱围岩距隧道洞口的长度、制冷装置的电偶对数目、拱架的尺寸和设计间距预制连通管、抽风管、矩形槽、散热片、标准节和雨帽，将散热片插入矩形槽内固定形成散热器，依据预设的散热器位置在隧道洞口固定并拼接标准节至软弱围岩处形成固定的通风管，将抽风管安装在隧道洞口通风管上，使抽风管的长边朝上，并在长边末端焊接雨帽；（4）直流电源的制作和安装：根据制冷装置的电偶对数目，在隧道洞口安装能够提供足够电量的太阳能光伏板作为直流电源，安装开关并将导线引至隧道软弱围岩处；（5）第一排拱架安装：在法兰处将拱架拆分，软弱围岩进行第一步开挖，并将拆分后的相应部位拱架安装至隧道开挖处，在拱架相应位置安装散热器，并与通风管相连，拱架间喷射混凝土后，隧道进行第二步开挖，将相应部位的拱架与已安装拱架通过法兰连接并在新架设拱架上安装散热器，拱架间喷射混凝土，按上述步骤直至拱架封闭成环后分别将直流电源的正极连接在拱架下翼缘第一个N型半导体金属垫片上，负极连接拱架下翼缘最后一个P型半导体金属垫片上，补喷混凝土，闭合开关接通电源；（6）第二排拱架安装：待第一排拱架（1）附近软弱围岩冻结后，断开开关，按照的步骤安装第二排拱架，并利用连通管将相邻拱架的散热器相连，与第一排拱架并联，闭合开关接通电源；（7）重复步骤（6）的安装步骤进行后续拱架的安装，直至隧道完全穿越软弱围岩段。本专利技术的有益效果：本专利技术充分利用钢拱架的形状和结构特点，将半导体制冷、散热技术和烟囱效应原理引入隧道初期支护结构，构造出一种具有主动冻结功能的软弱围岩隧道初期支护结构，其优点为：（1）利用拱架上下翼缘和腹板间的空间安装半导体制冷装置，在不改变拱架原有功能的的情况下增加制冷功能，不污染隧道周边环境和增加施工工序的同时，可在隧道拱架外圈周边形成坚硬的冻土壳，提高围岩的自承能力和隔水效果，解决软弱围岩隧道的不收敛变形和塌方等问题，防止隧道开挖过程中的突水突泥灾害和后期二次衬砌的渗漏水问题；（2）将隧道作为天然的进风通道，将散热器、连通管、通风管和抽风管相互连接作为排风通道，加速隧道施工掌子面空气的流通，同时带走散热器内制冷过程中产生的热量，提升了制冷装置的制冷能力，清洁隧道内的空气优化了施工人员的工作环境；（3）利用连通管代替隧道拱架间的连接筋，在通风的同时对拱架起到连接作用，降低施工成本，减少施工工序；（4）本专利技术结构简单，施工方便，利用太阳能清洁能源作为动力，保护环境，减小了资源的消耗。附图说明图1是本专利技术结构的空间示意图；图2是本专利技术结构的剖面图；图3是法兰示意图；图4是散热器示意图；图5是本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.软弱围岩隧道冻结初期支护结构，包括拱架（1）、制冷装置（2）、散热装置（3）和直流电源（4），其特征在于拱架（1）是由上翼缘（6）和下翼缘（7）内部涂有绝缘层（8）的弧形工字钢通过法兰（5）连接形成的闭合环；制冷装置（2）由N型半导体（9）、P型半导体（10）和金属垫片（11）组成，从拱架（1）下翼缘（7）开始沿环向将金属垫片（11）通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层（8）的上翼缘（6）和下翼缘（7）上，直至最后粘贴在下翼缘（7）处在金属垫片（11）和第一次粘贴在下翼缘（7）的金属垫片（11）最接近时停至，按照金属垫片（11）安装的顺序，在下翼缘（7）和上翼缘（6）金属垫片（11）交叉位置交替焊接N型半导体（9）和P型半导体（10）形成串联的电偶对；散热装置（3）由连通管（12）、散热器（13）、通风管（14）和抽风管（15）组成，连通管（12）是两端带有内螺纹，外部涂有隔热层（16）的圆形钢管，散热器（13）是由矩形槽（17）和散热片（18）组成，矩形槽（17）外部涂有隔热层（16），两端分别带有与连通管（12）相匹配的外螺纹，散热片（18）平行于矩形槽（17）长边均匀布设于矩形槽（17）内，将散热器（13）沿拱架（1）环向均匀布设，槽口焊接于下翼缘（6）外侧，用连通管（12）将相邻拱架（1）的散热器（13）相连接，通风管（14）是由标准节（19）拼接而成，标准节（19）为直径与连通管（12）相同的圆形钢管，两端分别带有内螺纹和外螺纹，通风管（14）插入距隧道洞口最近的散热器（13）并引至隧道洞口（23），抽风管（15）为L形钢管，短边带有内螺纹，长边焊接有雨帽（20），抽风管（15）短边套入通风管（14）；直流电源（4）为隧道洞口仰坡上的太阳能光伏板，利用开关（21）和导线（22）将拱架（1）下翼缘（6）的第一个N型半导体（9）金属垫片（11）和下翼缘（6）最后一个P型半导体（10）金属垫片（11）分别连接在直流电源（4）的正、负极上，形成闭合通路。/n...
【技术特征摘要】
1.软弱围岩隧道冻结初期支护结构，包括拱架（1）、制冷装置（2）、散热装置（3）和直流电源（4），其特征在于拱架（1）是由上翼缘（6）和下翼缘（7）内部涂有绝缘层（8）的弧形工字钢通过法兰（5）连接形成的闭合环；制冷装置（2）由N型半导体（9）、P型半导体（10）和金属垫片（11）组成，从拱架（1）下翼缘（7）开始沿环向将金属垫片（11）通过胶水错落粘贴在涂有绝缘层（8）的上翼缘（6）和下翼缘（7）上，直至最后粘贴在下翼缘（7）处在金属垫片（11）和第一次粘贴在下翼缘（7）的金属垫片（11）最接近时停至，按照金属垫片（11）安装的顺序，在下翼缘（7）和上翼缘（6）金属垫片（11）交叉位置交替焊接N型半导体（9）和P型半导体（10）形成串联的电偶对；散热装置（3）由连通管（12）、散热器（13）、通风管（14）和抽风管（15）组成，连通管（12）是两端带有内螺纹，外部涂有隔热层（16）的圆形钢管，散热器（13）是由矩形槽（17）和散热片（18）组成，矩形槽（17）外部涂有隔热层（16），两端分别带有与连通管（12）相匹配的外螺纹，散热片（18）平行于矩形槽（17）长边均匀布设于矩形槽（17）内，将散热器（13）沿拱架（1）环向均匀布设，槽口焊接于下翼缘（6）外侧，用连通管（12）将相邻拱架（1）的散热器（13）相连接，通风管（14）是由标准节（19）拼接而成，标准节（19）为直径与连通管（12）相同的圆形钢管，两端分别带有内螺纹和外螺纹，通风管（14）插入距隧道洞口最近的散热器（13）并引至隧道洞口（23），抽风管（15）为L形钢管，短边带有内螺纹，长边焊接有雨帽（20），抽风管（15）短边套入通风管（14）；直流电源（4）为隧道洞口仰坡上的太阳能光伏板，利用开关（21）和导线（22）将拱架（1）下翼缘（6）的第一个N型半导体（9）金属垫片（11）和下翼缘（6）最后一个P型半导体（10）金属垫片（11）分别连接在直流电源（4）的正、负极上，形成闭合通路。
2.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的法兰（5）在与工字钢焊接处的上翼缘（6）和下翼缘（7）内侧留有可供金属垫片（11）穿过的矩形孔（24），孔壁内侧涂有绝缘层（8）。
3.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的矩形槽（17）长度与拱架（1）的下翼缘（7）宽度相同。
4.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的散热片（18）为薄壁钢片，厚度和宽度分别与矩形槽（17）的壁厚和深度相同。
5.根据权利要求1所述的软弱围岩隧道冻结初期支护结构，其特征在于：所述的抽分管（15）直径和壁厚与通风管（14）相同。
6.根据权利要求1所述的软弱围...
【专利技术属性】
技术研发人员：颉永斌，董建华，王钧，李建军，魏少强，罗建峰，汪镇，任新，
申请(专利权)人：兰州理工大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62
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